Комплексная энергосистема
Энергосистема предназначена для стабильного и эффективного обеспечения потребителей требуемым количеством электроэнергии, холода и тепла при пониженном уровне ветропотенциала с дополнительным повышением потребительского качества энергии. Указанный технический результат достигается тем, что комплексная энергосистема содержит ветродвигатель, агрегатированный с приводимым им через энергоузел компрессором, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами, потребителя теплого воздуха, турбодетандер, агрегатированный с приводимым им электрогенератором, и потребителя холодного воздуха. Где компрессор соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом - через горячий контур теплообменника с входом накопителя воздуха. Турбодетандер соединен газодинамически входом с выходом накопителя воздуха, а выходом с входом потребителя холодного воздуха. Вход и выход холодного контура теплообменника соединены между собой через потребителя теплого воздуха. Энергосистема также содержит дополнительный компрессор с приводом и дополнительный турбодетандер с потребителем мощности. Дополнительный компрессор газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - с входом накопителя воздуха. Дополнительный турбодетандер газодинамически входом соединен с выходом накопителя воздуха, а выходом - с входом потребителя холодного воздуха. 1 н.з. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.
Предлагаемая полезная модель относится к автономным энергетическим устройствам и предназначена для стабильного обеспечения потребителей электричеством, холодом и теплом гарантированного уровня заданных технических показателей в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха в полевых условиях при наличии заметного ветропотенциала.
Известна «Комбинированная система для получения электричества, холода и тепла» (Патент РФ на полезную модель 
90543 от 17.04.2009 г.), содержащая соединенную входом с атмосферой воздушную турбину с электрогенератором, на выходе которой установлен эжектор, вход которого газодинамически соединен с выходом ' накопителя воздуха, вход которого газодинамически соединен с выходом воздушного компрессора, приводом которого является ветродвигатель, технически связанный через энергоузел с воздушным компрессором, входом связанным с атмосферой.
Недостатком технического решения, выбранного в качестве аналога, является низкий уровень совместного к.п.д. эжектора и турбины, а также невозможность прямого получения тепла.
Известна «Ветроагрегатная система для получения электричества, холода и тепла» (Патент РФ на полезную модель 91743 от 25.11.2009 г.), выбранная в качестве прототипа. Система содержит турбину с электрогенератором, компрессор с ветродвигателем, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами теплоносителей, энергоузел, потребитель тепла, потребитель холода, потребитель электроэнергии и регулировочный кран. При этом накопитель воздуха выполнен в виде гибкой оболочки. Привод выполнен в виде ветродвигателя и связан с компрессором через энергоузел. Компрессор газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - через горячий контур теплообменника с входом накопителя воздуха. Турбина газодинамически входом соединена через регулировочный кран с выходом накопителя воздуха, а выходом - с входом потребителя холода. Холодный контур теплообменника подключен к потребителю тепла. Электрогенератор соединен с потребителем электроэнергии.
Техническое решение позволяет автономно обеспечить потребителя электричеством, холодом и теплом без затрат топлива. Однако непостоянство ветропотенциала по времени и ограниченность запасов сжатого воздуха в накопителе могу ограничивать время обеспечения подачи энергии в заданном количестве.
Технической задачей заявляемого решения является стабильное и эффективное обеспечение потребителей достаточным количеством электроэнергии, холодом и теплом при пониженном уровне ветропотенциала с дополнительным повышением потребительских свойств энергосистемы.
Поставленная задача решается тем, что комплексная энергосистема для получения электричества, холода и тепла содержит ветродвигатель, агрегатированный с приводимым им через энергоузел компрессором, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами, потребителя теплого воздуха, турбодетандер, агрегатированный с приводимым им электрогенератором, и потребителя холодного воздуха. Где компрессор соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом - через горячий контур теплообменника с входом накопителя воздуха. Турбодетандер соединен газодинамически входом с выходом накопителя воздуха, а выходом с входом потребителя холодного воздуха. Вход и выход холодного контура теплообменника соединены между собой через потребителя теплого воздуха.
Новым в полезной модели является то, что энергосистема содержит дополнительный компрессор с приводом и дополнительный турбодетандер с потребителем мощности. Причем дополнительный компрессор газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - с входом накопителя воздуха. К тому же дополнительный турбодетандер газодинамически входом соединен с выходом накопителя воздуха, а выходом - с входом потребителя холодного воздуха.
При такой конструкции энергосистемы:
- наличие дополнительного компрессора с приводом, который входом газодинамически соединен с атмосферой, а выходом с входом накопителя воздуха обеспечивает запуск системы при неработающем ветродвигателе и предельно низком давлении воздуха в накопителе;
- соединение дополнительного компрессора газодинамически входом с атмосферой и выходом - с накопителем воздуха обеспечивает наполнение накопителя сжатым воздухом в отсутствии должного ветропотенциала;
- наличие дополнительного турбодетандера с потребителем мощности, обеспечивает повышение потребительского качества системы за счет использования помимо электрогенератора иных потребителей мощности;
- соединение дополнительного турбодетандера газодинамически входом с выходом накопителя воздуха, а выходом с входом потребителя холодного воздуха позволяет вырабатывать мощность для потребителя и обеспечивать потребителя холода дополнительным расходом холодного воздуха.
Существенные признаки полезной модели могут иметь дополнение и развитие:
- накопитель воздуха может быть выполнен в виде гибкой оболочки. Это обеспечивает размещение накопителя в любых заданных габаритах;
- гибкая оболочка может быть расположена внутри ограничивающей несущей конструкции. Это обеспечивает повышение прочности гибкой оболочки и ее ресурса;
- ограничивающая несущая конструкция может быть выполнена в виде сетчатой оболочки. Это снижает габариты и стоимость конструкции;
- накопитель воздуха может быть выполнен в виде естественной или искусственной полости в земле. Это снижает габариты энергосистемы, повышает ресурс работы накопителя воздуха;
- привод дополнительного компрессора может быть выполнен в виде электродвигателя. Это позволяет при работе только ночью, за счет разности тарифов в оплате электроэнергии, повысить прибыльность использования энергосистемы;
- привод дополнительного компрессора может быть выполнен в виде поршневого двигателя внутреннего сгорания или газотурбинного двигателя. Это обеспечивает энергосистеме автономность и независимость от других источников электроэнергии;
- потребитель мощности дополнительного турбодетандера может быть выполнен в виде насоса, гидродинамически по входу, связанному с источником воды, а по выходу - с потребителем воды. Это позволяет повысить потребительское качество энергосистемы за счет получения воды повышенного давления;
- потребитель мощности дополнительного турбодетандера может быть выполнен в виде дополнительного электрогенератора. Это позволяет при работе турбодетандера только днем повысить прибыльность использования энергосистемы за счет разности дневных и ночных тарифов в оплате электроэнергии;
- накопитель воздуха может быть расположен в водоеме под уровнем воды. Это снижает габариты энергосистемы и повышает надежность ее работы за счет исключения неблагоприятного воздействия на систему пожаров, ураганов и других стихийных бедствий..
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи. Достигается стабильное и эффективное обеспечение потребителей достаточным количеством электроэнергии, холодом и теплом при пониженном уровне ветропотенциала с дополнительным повышением потребительских свойств энергосистемы.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции энергосистемы и ее работы со ссылкой на иллюстрацию, представленную на чертеже.
Комплексная энергосистема содержит ветродвигатель 1, агрегатированный с приводимым им через энергоузел 2 компрессор 3, накопитель воздуха 4, теплообменник 5 с горячим 6 и холодным 7 контурами, потребитель теплого воздуха 8, турбодетандер 9, агрегатированный с приводимым им электрогенератором 10, и потребитель холодного воздуха 11. При этом накопитель воздуха 4 может быть выполнен в виде герметичной и прочной гибкой оболочки, газгольдера переменной емкости, искусственной или естественной подземной полости, а также скважины. Компрессор 3 соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом - через горячий контур 6 теплообменника 5 с входом накопителя воздуха 4. Турбодетандер 9 соединен газодинамически входом с выходом накопителя воздуха 4, а выходом с входом потребителя холодного воздуха 11. Вход и выход холодного контура 7 теплообменника 5 соединены между собой через потребитель теплого воздуха 8.
В соответствие с полезной моделью комплексная энергосистема включает дополнительный компрессор 12 с приводом 13 и дополнительный турбодетандер 14 с потребителем мощности 15. Дополнительный компрессор 12 газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - с входом накопителя воздуха 4 и дополнительный турбодетандер 14 газодинамически входом соединен с выходом накопителя воздуха 4, а выходом - с входом потребителя 11 холодного воздуха.
Потребитель мощности 15 дополнительного турбодетандера 14 может быть выполнен в виде водяного насоса, гидродинамически по входу связанного с источником воды, а по выходу - с потребителем воды повышенного давления.
Привод 13 дополнительного компрессора 12 может быть выполнен в виде электродвигателя, газотурбинного двигателя или поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Работа комплексной энергосистемы осуществляется следующим образом.
Воздух из атмосферы (при работе ветродвигателя 1 вместе с энергоузлом 2) поступает в компрессор 3, где повышается его температура и давление. Далее воздух проходит через горячий контур 6 теплообменника 5, где в холодном контуре 7 отдает тепло хладагенту, идущему к потребителю тепла 8, и охлажденный поступает в накопитель воздуха 4. В накопителе воздуха 4 воздух дополнительно охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и, выходя из него, поступает в турбодетандер 9. В турбодетандере 9 воздух расширяется, его давление понижается практически до давления окружающей среды, а температура - до величины, существенно меньшей температуры окружающей среды; перепад давления воздуха в турбодетандере 9 создает крутящий момент на его валу, он начинает вращаться и образующаяся мощность передается механически связанному с ним электрогенератору 10. Холодный воздух из турбодетандера 9 поступает к потребителю холодного воздуха 11. Сжатый воздух из накопителя 4 также поступает в дополнительный турбодетандер 14, который генерируемую мощность передает потребителю 15, а получаемый холодный воздух из дополнительного турбодетандера 15 поступает к потребителю 11 холодного воздуха.
Одновременно с компрессором 3 в накопитель 4 поступает воздух от дополнительного компрессора 12, приводимого в работу приводом 13.
При использовании в качестве потребителя мощности 15 водяного насоса повышается потребительское качество энергосистемы за счет обеспечения потребителя водой повышенного давления, создаваемого водяным насосом.
Важное значение приобретает использование в качестве привода 13 электродвигателя, который может за счет разности тарифов ночного и дневного электричества, работая только ночью, создавать дополнительную прибыль пользователям комплексной энергосистемы, что будет рассмотрено в прилагаемом далее примере расчета.
Важное значение в уменьшении стоимости получаемой энергии может играть использование в качестве привода 13 дополнительного компрессора 12 поршневого двигателя или газотурбинного двигателя. Это может иметь большое значение в тех случаях, когда недостаточен ветропотенциал при отсутствии посторонних источников электроэнергии. Тогда привод 13 в виде поршневого двигателя, приводящего в работу дополнительный компрессор 12 с питанием от источника топлива может способствовать первоначальной закачке накопителя сжатым воздухом.
В качестве примера расчета рассмотрим вполне реальные условия работы дополнительного компрессора 12 с приводом от электродвигателя мощностью 6 кВт, расходом воздуха Gк=0,06 кг/с и степенью повышения давления 
к=2,0 при мощности дополнительного турбодетандера до 12 кВт при расходе воздуха Gт=1,0 кг/с и степени понижения давления т=1,4.
При заданных условиях при работе дополнительного компрессора в течение 6 часов ночью будет израсходовано 36 кВт-часов электрической энергии с ее оплатой в 36 рублей (1 рубль за 1 кВт-час). При этом накоплено сжатого воздуха в количестве 1296 кг. Этот воздух при полном срабатывании (с учетом первоначально имеющегося запаса сжатого воздуха в накопителе 4) в дополнительном турбодетандере 14 сможет сгенерировать 4,3 кВт-час электроэнергии и такое же количество холода, что равносильно как бы затрате 8,6 кВт-час электроэнергии, т.к. при генерации 1 кВт холодного воздуха в турбохолодильной машине затрачивается мощность в 2 кВт. Таким образом, будет условно полезно произведено в дополнительном турбодетандере энергии в 12,9 кВт-час (4,3+8,6). С учетом дневного тарифа в 4 руб. за 1 кВт-час стоимость 12,9 кВт-час составит 51,6 руб. Отсюда следует, что в идеальной постановке положительная разница в оплате стоимости электроэнергии составит при реализации настоящей полезной модели 15,6 рублей (51,6-36) в сутки. При допущении об использовании только 80% полученного запаса сжатого воздуха эта разница составит чуть более 4 рублей.
Таким образом, реализация представленного технического решения позволит решить поставленную задачу стабильного обеспечения потребителей требуемым количеством электроэнергии, холода и тепла при пониженном уровне ветропотенциала с дополнительным повышением потребительских качеств.
Предлагаемая полезная модель может найти применение в местах с повышенным уровнем ветропотенциала, а также в отдаленных районах при отсутствии источников электроэнергии, позволяя при высоких экологических показателях получать в требуемых количествах различные виды энергии: электричества, холод и тепло.
1. Комплексная энергосистема для получения электричества, холода и тепла, содержащая ветродвигатель, агрегатированный с приводимым им через энергоузел компрессором, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами, потребитель теплого воздуха, турбодетандер, агрегатированный с приводимым им электрогенератором, и потребитель холодного воздуха, где компрессор соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом через горячий контур теплообменника - с входом накопителя воздуха, турбодетандер соединен газодинамически входом с выходом накопителя воздуха, а выходом с входом потребителя холодного воздуха, вход и выход холодного контура теплообменника соединены между собой через потребитель теплого воздуха, отличающаяся тем, что энергосистема содержит дополнительный компрессор с приводом и дополнительный турбодетандер с потребителем мощности, причем дополнительный компрессор газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - с входом накопителя воздуха, к тому же дополнительный турбодетандер газодинамически входом соединен с выходом накопителя воздуха, а выходом - с входом потребителя холодного воздуха.
2. Комплексная энергосистема по п.1, отличающаяся тем, что накопитель воздуха выполнен в виде гибкой оболочки.
3. Комплексная энергосистема по п.2, отличающаяся тем, что гибкая оболочка расположена внутри ограничивающей несущей конструкции.
4. Комплексная энергосистема по п.3, отличающаяся тем, что ограничивающая несущая конструкция выполнена в виде сетчатой оболочки.
5. Комплексная энергосистема по п.1, отличающаяся тем, что накопитель воздуха выполнен в виде естественной или искусственной полости в земле.
6. Комплексная энергосистема по п.1, отличающаяся тем, что привод дополнительного компрессора выполнен в виде электродвигателя.
7. Комплексная энергосистема по п.1, отличающаяся тем, что привод дополнительного компрессора выполнен в виде поршневого двигателя внутреннего сгорания или газотурбинного двигателя.
8. Комплексная энергосистема по п.1, отличающаяся тем, что потребитель мощности дополнительного турбодетандера выполнен в виде насоса, гидродинамически по входу связанному с источником воды, а по выходу - с потребителем воды повышенного давления.
9. Комплексная энергосистема по п.1, отличающаяся тем, что потребитель мощности дополнительного турбодетандера выполнен в виде дополнительного электрогенератора.
10. Комплексная энергосистема по п.1, отличающаяся тем, что накопитель воздуха расположен в водоеме под уровнем воды.
